探索SGM41563：高性能單節鋰電池線性充電器

在如今電子產品的世界里，電池充電管理和電源轉換是至關重要的環節。今天，我們將深入探討圣邦微電子（SGMICRO）推出的SGM41563，一款專為單節鋰離子/聚合物電池設計的線性充電器，同時具備超低待機電流的升壓功能。

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一、產品概述

SGM41563集成了單節Li+/聚合物電池線性充電器和超低待機電流的升壓轉換器，可將電池電源轉換為5V輸出。其寬輸入范圍允許使用諸如導電線圈、太陽能電池或熱耦合堆等非嚴格穩壓電源進行充電。升壓靜態電流低至典型值0.68μA，非常適合小電池長期待機的應用場景。該產品采用綠色SOIC - 8（外露焊盤）封裝。

二、主要特性

2.1 充電電壓選項豐富

提供五種充電電壓選項：4.2V/4.25V/4.3V/4.35V/4.4V，可根據不同電池的需求進行靈活選擇。這使得SGM41563能夠適配多種類型的鋰離子/聚合物電池，滿足不同應用場景的要求。

2.2 充電電流范圍廣

充電電流范圍為5mA至700mA，能夠為單節Li+/聚合物電池提供合適的充電電流。無論是小容量電池的緩慢充電，還是大容量電池的快速充電，SGM41563都能勝任。

2.3 充電模式與保護功能

• 恒流/恒壓充電：采用CC/CV充電模式，確保電池充電過程的安全和高效。在充電初期，以恒定電流快速充電；當電池電壓接近設定值時，自動切換到恒壓模式，避免過充。
• 芯片溫度充電電流調節：通過內置的溫度傳感器，實時監測芯片溫度。當芯片溫度過高時，自動降低充電電流，防止芯片過熱損壞，提高了系統的可靠性。
• -4%電壓折返功率保持：在充電結束條件滿足時，將輸出電壓降低到安全水平，同時釋放電流限制到最大值，繼續為負載系統供電。這種設計避免了在持續連接電源的情況下電池的充放電循環，延長了電池壽命。
• +2%路徑電阻損耗補償：能夠補償充電路徑中的電阻損耗，確保電池實際充電電壓的準確性，提高充電效率。
• 浮充超時終止：當系統負載較大，消耗的電流超過充電結束殘留電流時，如果電池電壓在超過浮充電壓的情況下持續超過設定時間（tFLTING = 44分鐘），充電將自動停止，并進入充電結束折返功率保持狀態。
• 超低靜態電流：靜態電流極低，小于1μA，適合長期待機的應用場景，有效降低了功耗。
• 可編程充電電流：通過在IREF引腳和GND之間連接一個電阻，可以根據需要設置充電電流上限。充電電流與電阻值的關系為：當ICHG < 400mA時，ICHG (mA) = 24000/RIREF (kΩ)；當ICHG > 400mA時，ICHG (mA) = 20500/RIREF (kΩ) + 58mA。
• 節能充電指示：nCHG引腳在充電過程中閃爍，充電結束時保持點亮約52秒，方便用戶直觀了解充電狀態。
• 內部過溫保護：當芯片溫度超過設定閾值（TCUT = 130℃）時，自動降低充電電流，保護芯片免受過熱損壞。

三、應用領域

SGM41563適用于多種應用場景，特別是可充電電池供電的物聯網設備和自供電物聯網終端。這些設備通常需要長時間待機，對功耗要求較高，SGM41563的超低靜態電流和高效充電功能正好滿足了這些需求。

四、典型應用電路

典型應用電路如圖1所示，包含了充電輸入、電池連接、升壓輸出等部分。在設計電路時，需要注意各元件的參數選擇和布局。例如，推薦使用2.2μH的低DCR電感，其飽和電流和熱限制電流應大于1.4A。同時，合理布局電感、電容等元件，使電感電流的紋波回路盡可能小，以實現穩定和低損耗的運行。

五、電氣特性

5.1 充電相關特性

• 無負載工作電流：典型值為70μA，在低功耗應用中表現出色。
• 充電電流范圍：5mA至700mA，可滿足不同電池的充電需求。
• 保持電流：當強制輸出電壓為2V，RIREF = 120kΩ時，保持電流為200mA。
• VIN - BAT電流：當VVIN - VBAT = 1V，RIREF = 13kΩ時，電流為700mA。
• 電池反向電流：在VVIN = 3V，VBAT = 5.2V時，流入電池的電流為9 - 12μA。
• 電池漏電電流：當VVIN浮空，VBAT = 5.2V時，流入電池的電流為0.08 - 1μA。
• 充電電壓：提供4.2V至4.4V的五種電壓選項，步長為50mV。
• 充電電壓誤差：在IBAT = 20mA時，誤差范圍為 - 28至28mV。
• 充電啟動電壓：VVIN - VBAT上升時為310mV。
• 反向阻斷啟動電壓：VVIN - VBAT下降時為25mV。

5.2 升壓相關特性

• 輸出電壓：在PWM模式下，VBAT < VVOUT時，輸出電壓范圍為4.84 - 5.09V；在PFM模式下，典型值為5.04V。
• 輸出電流：最大輸出電流可達500mA。
• 靜態電流：流入BAT引腳的靜態電流在無負載、不切換時為0.08 - 0.6μA；流入VOUT引腳的靜態電流在無負載、不切換，升壓或降壓模式下為0.6 - 1μA。
• 峰值電流限制：升壓操作時，峰值電流限制為0.89 - 1.62A。
• 開關頻率：在VBAT = 3.7V時，開關頻率為0.98 - 1.35MHz。
• 低側開關導通電阻：典型值為300 - 420mΩ。
• 高側開關導通電阻：典型值為320 - 410mΩ。
• 升壓停止溫度：當芯片溫度達到150℃時，升壓操作停止。
• 恢復溫度：溫度下降25℃后，升壓操作恢復。

六、詳細工作原理

6.1 線性充電器

• 系統負載預充電：當電池端電壓低于預充電電壓閾值時，在電源上電時，充電器以最大電流限制輸出tSYS_PRE時間，為系統啟動提供足夠的電流，即使電池處于欠壓保護狀態或無電池的情況下也能正常啟動。
• 寬輸入范圍充電：在輸入電壓較高或電源無法維持足夠電壓和電流的情況下，充電器仍能正常工作。通過調節充電電流，避免芯片過熱，并保持最小的壓差，防止反向漏電。
• 電壓折返功率保持：當充電結束條件滿足時，將輸出電壓降低到安全水平，同時釋放電流限制到最大值，繼續為負載系統供電，避免電池的充放電循環。
• 浮充超時終止：當系統負載較大，消耗的電流超過充電結束殘留電流時，如果電池電壓在超過浮充電壓的情況下持續超過設定時間，充電將自動停止，并進入充電結束折返功率保持狀態。
• 過溫充電調節：芯片通過內置的溫度傳感器實時監測溫度，當芯片溫度達到TCUT時，自動降低充電電流，以維持芯片溫度在安全范圍內。
• 路徑電阻損耗補償和充電終止電流：當首次檢測到充電結束條件時，充電器將輸出電壓調整為VFB，同時監測VBAT。如果充電路徑中的電流下降導致電壓下降超過VDCC，則將輸出電壓提高到VRDC，以補償電阻損耗。這樣可以使用相對較高的殘留電流水平進行充電終止檢測，使大部分充電電流流向負載而不是消耗在電阻上。
• 充電過程：充電過程分為系統預充電、電池預充電、浮充、充電結束和安全折返功率保持等階段。充電過程采用恒流和恒壓模式，在電源上電時進行系統預充電，當電池電壓低于快速充電閾值時進行預充電。當充電電流下降到終止電流或浮充定時器超時，且經過路徑電阻損耗補償后，充電結束。

6.2 升壓轉換器

升壓轉換器在正常負載條件下工作在峰值電流PWM模式，在輕負載條件下切換到節能跳周期模式。當EN引腳拉低時，電源輸入與負載斷開。同時，升壓轉換器具備過流保護和短路保護功能，通過監測峰值電感電流和輸出電壓來實現。當峰值電流達到ILIM時，低側開關關閉；當輸出電壓低于2.2V時，通過高側開關對輸出進行預充電，電流限制約為200mA；當輸出電壓高于過壓保護閾值（VOV）或芯片溫度高于過溫閾值（TOT）時，開關操作停止。

七、注意事項

7.1 過應力和ESD保護

在使用SGM41563時，應避免超過絕對最大額定值的應力，否則可能會對器件造成永久性損壞。同時，由于該集成電路對ESD敏感，在處理和安裝過程中應采取適當的ESD保護措施，以防止ESD損壞。

7.2 浪涌保護

在電池連接或電源施加過程中，可能會出現浪涌電壓，損壞低電壓引腳BAT和VOUT。建議在BAT引腳和VOUT引腳處放置TVS二極管進行浪涌吸收。如果不使用TVS二極管，可以在EN引腳處插入R1和C6，在電池連接或測試電源接觸后延遲EN引腳的啟用，以避免在電壓浪涌期間啟動升壓。此外，增大C4和C5的電容值可以降低負載接觸彈跳引起的浪涌電壓，在頻繁負載連接的應用中，負載接觸電容應小于C4和C5總電容的1/10。

八、總結

SGM41563是一款功能強大、性能優越的單節鋰離子/聚合物電池線性充電器和升壓轉換器。其豐富的特性、寬輸入范圍、超低靜態電流以及完善的保護功能，使其成為可充電電池供電的物聯網設備和自供電物聯網終端等應用的理想選擇。在設計電路時，需要根據具體應用需求合理選擇元件參數，并注意布局和保護措施，以確保系統的穩定性和可靠性。你在使用SGM41563的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。